Повышение надежности имплантируемых медицинских устройств с помощью кремниевых конденсаторов

В статье рассматриваются кремниевые конденсаторы компании Murata, и приводятся их основные параметры. Высокая надежность конденсаторов позволяет использовать их в критически важных приложениях, в т. ч. в имплантируемых медицинских устройствах. Очень малая высота этих компонентов (не  более 100  мкм) помогает уменьшить размеры всего изделия в целом.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в электронной отрасли отчетливо прослеживаются две тенденции развития – миниатюризация и повышение надежности. Благодаря миниатюризации можно создавать портативные изделия, а надежность позволяет быть уверенным в безотказной работе и доступности электронных устройств.

Низкая надежность наносит ущерб производителю и, в конце концов, может привести к значительным потерям из-за устранения неисправностей в уже произведенной продукции. Как известно, ненадежность коммуникационных устройств и сетевого оборудования приводит к существенным потерям пользователей. Выход же из строя медицинской техники может стоить жизни пациента, что не сравнимо ни с какими финансовыми потерями.

В статье мы покажем, как новое поколение кремниевых конденсаторов компании Murata позволяет увеличить надежность имплантируемых медицинских устройств нового поколения. Этот сегмент рынка медицинской техники постоянно растёт. В частности, благодаря этим устройствам увеличивается продолжительность и улучшается качество жизни, уменьшается зависимость от лечебных учреждений.

Обычно имплантируемые медицинские устройства ассоциируются, прежде всего, с кардиостимуляторами. одна-ко к настоящему времени круг таких устройств значительно расширился. Импланты, как правило, вводятся путем хирургического вмешательства. Они могут устанавливаться временно или постоянно, и предназначены для замены или поддержки жизнедеятельности человека.

Увеличение продолжительности жизни, к сожалению, сопровождается ростом числа хронических заболеваний, к которым относятся сердечная недостаточность, аритмии, проблемы опорно-двигательного аппарата, проблемы с органами чувств и некоторые другие. Соответственно, растет рынок имплантируемых устройств, объем которого оценивается десятками миллиардов долларов с ежегодным приростом 5%. на рисунке 1 схематично показаны области применения имплантов.

Рис. 1. Области применения имплантов

Поскольку все импланты частично или полностью встраиваются в тело человека, они должны иметь минимальный размер. Разумеется, их надежность должна быть очень высока. В свою очередь, она достигается не только за счет схемотехнических решений, но зависит и от надежности используемых компонентов. ни одно электронное изделие не может обойтись без конденсаторов. во многих случаях при их выборе руководствуются, в основном, электрическими параметрами конденсаторов. однако если речь идет об имплантах, на первый план выходит надежность, долговечность и минимальные размеры.

Для минимизации размеров в импланте используются бескорпусные полупроводниковые компоненты, а также бескорпусные танталовые или керамические конденсаторы. Для их установки в конструкцию бескорпусных полупроводниковых компонентов требуется отдельный технологический процесс. Отметим еще одну особенность конденсаторов этого типа – их емкость уменьшается по мере старения и при увеличении на них напряжения. Таким образом, иной раз разработчику приходится выбирать конденсатор большей емкости, что приводит к увеличению размеров компонента.

Поскольку все импланты имеют батарейное питание, срок службы батарей необходимо максимально увеличить, для чего уменьшается ток потребления. Последний зависит также от утечек конденсаторов, особенно если они установлены между шиной питания и землей.

КРЕМНИЕВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ ДЛЯ ИМПЛАНТИРУЕМЫХ УСТРОЙСТВ

Учитывая все эти соображения, керамические конденсаторы (кк) выглядят привлекательной альтернативой для использования в имплантах в составе кремниевой матрицы с высокой степенью интеграции. Кремниевые конденсаторы, изготавливаемые с использованием технологического МОП-процесса, обладают целым рядом привлекательных свойств. Они имеют крайне низкий ток утечки: у 3,6В конденсаторов емкостью сотни нФ этот ток находится в диапазоне па; при этом не требуется делать предвари-тельный отбор компонентов по этому параметру.

Коме того, у кк – отличная стабильность параметров по сравнению с другими конденсаторами. Например, их температурная стабильность не хуже 0,002% при температуре до 200°C, тогда как ёмкость некоторых керамических конденсаторов уменьшается на 70% уже при 100°C.  У керамических конденсаторов группы X7R при напряжении 6 в емкость существенно уменьшается. У керамических конденсаторов других групп она может уменьшаться даже на 90%. В то же время уменьшение ёмкости кк не превышает 0,1%/в.

Стабильность параметров конденсаторов упрощает разработку – проектировщику нет нужды учитывать зависимость емкости конденсатора от напряжения и изменение емкости в течение срока службы. По этой причине нет необходимости перестраховываться и выбирать конденсатор большей емкости; соответственно, уменьшаются и его размеры. Следует упомянуть и высокую плотность емкости, достигающую у керамических конденсаторов 2200 нФ/м3.

Кроме того, конденсаторы этого типа существенно выигрывают и по надежности у своих конкурентов. В производственном процессе монтажа конденсатора в кремниевую матрицу он подвергается температурному воздействию 100°C, а в процессе эксплуатации температура окружающей среды составляет 37°C. При таких условиях в течение 10-летнего срока службы ожидаемая частота отказов керамических конденсаторов группы X7R составит 11,5 ppm, танталовых конденсаторов – 5526 ppm, а кк – всего 1 ppm. столь высокая надежность более чем приемлема для критически важных приложений, к которым относится и рассматриваемая нами область применения.

ПРЕДЛАГАЕМЫЕ РЕШЕНИЯ

Несколько компаний производят кремниевые конденсаторы. Одна из них – Murata, чья продукция отлично известна на российском рынке. Серия кк MGSC этой компании выпускается с использованием хорошо зарекомендовавшей себя trench-технологии. Кремниевые конденсаторы компании Murata имеют уникальный мозаичный дизайн (Mosaic) (см. рис. 2), использующий распределенные trench-конденсаторы. Поскольку оксид конденсаторов в процессе производства отверждается при 900 °C, конденсаторы серии MGSC можно испытывать в соответствии с требованиями стандарта AEC-Q100. Чтобы исключить ранние отказы, все без исключения конденсаторы проходят тестирование.

Рис. 2. Керамические конденсаторы компании Murata

Перечислим основные параметры конденсаторов серии MGSC:

• емкость (ном.): 1 нФ…1 мкФ;
• отклонения от номинального значения емкости: ±15%;
• температурный коэффициент емкости: 60 ppm;
• надежность: 0,017 ppb (частей на миллиард);
• высота: 100 мкм;
• диапазон рабочей температуры: 55…150°C.

Отличная надежность конденсаторов серии MGSC позволяет использовать их в критически важных приложениях, а очень малая высота (100 мкм), делает возможным создание вертикального стека конденсаторов для получения требуемой емкости. Помимо доступных для заказа конденсаторов серии MGSC компания Murata выпускает конденсаторы в соответствии с индивидуальны-ми требованиями заказчика. Возможно изготовление не только отдельных специализированных конденсаторов, но и их интеграция в модуль пассивных компонентов (IPD).

Использование прогрессивной технологии интеграции пассивных компонентов на кремневой подложке (PICS) позволяет объединять конденсаторы серии MGSC в единый модуль с другими кремниевыми компонентами, в т. ч. с резисторами и диодами. В дальнейшем такие модули пассивных компонентов можно будет интегрировать с активными кремниевыми компонентами. Подобный подход позволяет получить компактное устройство с очень высокой надежностью.

ВЫВОДЫ

В ряде критически важных приложений, к которым относятся имплантируемые медицинские устройства, на первый план выходит надежность изделия. кроме того, очень важно, чтобы имплант был миниатюрным. Керамические конденсаторы компании Murata, изготовленные с использованием прогрессивных технологических МОП-процессов, имеют очень высокую надежность. Их параметры остаются стабильными во всем диапазоне рабочей температуры и напряжения. У кк эффект старения крайне невелик по сравнению с конденсаторами других типов. стабильность параметров заметно облегчает разработку устройства. Очень тонкая конструкция конденсаторов позволяет уменьшить габариты изделия. 

По всем вопросам, связанным с кремниевыми конденсаторами компании Murata, обращайтесь по адресу murata@symmetron.ru.

Автор:

СЕБАСТЬЯН ЛЕРУС (SEBASTIEN LERUEZ), MURATA

Опубликовано в журнале "Электронные Компоненты" №6, 2020 г.
www.elcomdesign.ru